Procese si instrumente de dislocare prin foraj a rocilor

Procese si instrumente de dislocare prin foraj a rocilor

1. Proprietatile fizice si mecanice ale rocilor

Eficienta dislocarii rocilor in talpa sondei, precum si stabilitatea peretilor sondei sunt influentate de proprietatile fizice si mecanice ale rocilor traversate.

Proprietatile fizice ale rocilor

a. Porozitatea - se refera la volumul spatiilor dintr-o roca, neocupat de substanta solida si se exprima prin raportul dintre volumul golurilor si volumul total al rocii. Prezenta porilor reduce duritatea rocii si rezistenta ei la patrunderea unui corp solid. Intr-o prima etapa, pana la o anumita valoare a fortei de apasare, roca se deformeaza, fara a obtine dislocare.

b. Permeabilitatea - capacitatea unui corp poros de a permite deplasarea prin golurile sale comunicante a unui fluid, la crearea unei diferente de presiune. In talpa sondei are loc patrunderea de fluid de foraj pe o anumita adancime, ceea ce duce la echilibrarea diferentei de presiune dintre zona de deasupra si cea de sub talpa, realizandu-se conditii favorabile dislocarii rocii cu instrumentele de lucru.

c. Neomogenitatea - este specifica rocilor, ele fiind neomogene din punct de vedere al compozitiei mineralogice, porozitatii, permeabilitatii, gradului de fisurare, tasare, etc. Aceasta proprietate conditioneaza comportamentul rocilor la solicitarile mecanice din timpul dislocarii.

d. Abrazivitatea - este capacitatea rocilor de a uza prin frecare instrumentele de dislocare. Capacitatea abraziva a rocilor se manifesta asupra instrumentelor de dislocare, dar si asupra altor componente ale echipamentului de foraj.

Abrazivitatea rocilor este o proprietate relativa. Un otel poate fi uzat abraziv de o roca, dar aceeasi roca poate sa aiba o capacitate abraziva nesemnificativa asupra unui aliaj dur, de tipul unor carburi metalice.

Uzura abraziva a instrumentelor de dislocare depinde de abrazivitatea rocii, dar mai depinde si de rugozitatea suprafetelor de contact, presiunea de contact, temperatura, viteza relativa de deplasare, natura si compozitia noroiului de foraj, etc.

Abrazivitatea rocilor depinde de microduritatea mineralelor componente, de forma si dimensiunile lor, de forma si proprietatile suprafetelor de contact, etc. In general rocile polimenerale, chiar foarte compacte cum sunt cele magmatice, sunt mai abrazive decat cele monominerale.

Rocile sedimentare cele mai abrazive sunt gresiile cuartoase. La compozitii mineralogice similare rocile detritice rezultate din claste cimentate ulterior, sunt mai abrazive decat rocile cristalizate.

Proprietatile mecanice ale rocilor

Elasticitatea

Unele roci precum si minerale componente ale rocilor se comporta asemeni unor corpuri elastice. La aplicarea unor presiuni exterioare in interiorul lor se produc deformatii liniare. Rocile poliminerale nu sunt corpuri elastice.

Plasticitatea

In procesul dislocarii unele roci se deformeaza plastic, deformare care incepe atunci cand starea de tensiune depaseste limita elasticitatii. Plasticitatea rocilor depinde de compozitia mineralogica. Cresterea continutului de cuart, feldspati, sau alte minerale cu duritate mare, reduce plasticitatea rocilor. Cea mai mare plasticitate o au argilele hidratate.

Plasticitatea rocilor influenteaza mult procesul dislocarii. In cazul acestor roci (plastice) efortul pentru separarea de fragmente in talpa sondei este mai mare. Deci conteaza foarte mult viteza si tipul de sapa cu care se actioneaza.

Rezistenta (taria) rocilor

Rezistenta unei roci este capacitatea sa de a se opune la deformare, in momentul in care este solicitata de catre o forta.

Este o proprietate care influenteaza in mare masura procesul de dislocare prin foraj, respectiv viteza de avansare a sapei, uzura sapelor, tendinta de deviere, etc. Rezistenta rocilor este dependenta de tipul solicitarii, care poate fi: compresiune, intindere, sau forfecare. Rezistenta mecanica a rocilor este influentata de factori naturali si de factori tehnici. Dintre factorii naturali putem aminti:

Compozitia mineralogica a rocilor - natura mineralelor si cantitatea;

- tipul si cantitatea cimentului;

Gradul de fisurare, stratificatia, clivajul (ex. in roci cu sistuozitate, rezistenta la compresiune uniaxiala este de doua ori mai mare, in planul perpendicular pe cel de sistuozitate);

Structura si textura rocilor- rocile cu structura cristalina fina au o rezistenta mai mare;

Gradul de porozitate;

Adancimea rocilor - cu cat sunt situate mai adanc in scoarta terestra, au o rezistenta mai mare (vezi presiunea);

Gradul de alterare.

Factorii tehnici care pot influenta rezistenta rocilor:

Tipul solicitarii (compresiune, intindere, forfecare);

Durata de actionare a sarcinii- rezistenta scade cu cresterea duratei de actionare;

Viteza de aplicare a fortei de dislocare- experimental s-a constatat ca taria rocilor creste cu viteza de aplicare a solicitarilor.

Duritatea sau rezistenta la patrundere

Prin rezistenta la patrundere se intelege valoare presiunii din centrul suprafetei de actiune a sapei, la care se atinge starea limita si roca cedeaza. Aceasta proprietate este dependenta de chimismul si structura cristalina a mineralelor componente.

Deosebim o duritate a mineralelor (duritate absoluta) si o duritate a rocilor (duritate agregativa). Duritatea mineralelor influenteaza durata de uzura a elementelor de dislocare (capul carotierei cu role, vidia sau diamante), iar duritatea agregativa influenteaza viteza de avansare a sculei de dislocare. Pentru rocile monominerale duritatea se stabileste cu ajutorul scarii Mohs.

Duritatea rocilor poliminerale se determina cu ajutorul mai multor metode. Una dintre acestea este metoda lui Schreiner. Metoda permite determinarea duritatii, precum si a elasticitatii si plasticitatii rocilor si se bazeaza pe patrunderea prin apasare, a unui poanson intr-o roca cu suprafata plana, bine slefuita. Elementul activ al poansonului este un cilindru cu suprafata frontala plana. Sarcina pe poanson creste treptat (se incarca), cu posibilitatea ca la fiecare sarcina, deformatia sa se produca pana la capat. Dependenta dintre deformatie si sarcina pe poanson este ilustrata cu ajutorul unor curbe caracteristice, diferitelor tipuri de roci. Dupa aceasta metoda rocile se impart in trei grupe (slabe, medii si tari), fiecare grupa cu patru categorii.

Pentru majoritatea rocilor, valoarea rezistentei la patrundere este mai mare decat rezistenta la compresiune.

1.3. Forabilitatea rocilor

In practica saparii sondelor, dificultatea dislocarii rocilor se apreciaza printr-un indicator global, numit forabilitate. Forabilitatea depinde de propritatile fizico-chimice ale rocilor, de duritatea, structura si textura rocilor, etc. Depinde in egala masura de instrumentul de dislocare si metoda de foraj aplicata.

Forabilitatea este o proprietate caracteristica a rocilor, in lucrarile de planificare si normare, de ea depinzand cheltuielile si durata forajului.

1.4. Clasificarea rocilor dupa rezistenta lor la forare si perforare

Rocile se clasifica dupa proprietatile lor fizico-mecanice, dar nu exista o proprietate care sa caracterizeze complet comportamentul unei roci. Complexitatea interactiunilor din talpa sondei in procesul de dislocare al rocii, face imposibila gasirea unui criteriu unic de clasificare al rocilor. Interactiunile complexe sunt generate de comportamentul variabil al rocilor la solicitare, de tipurile de instrumente care actioneaza diferit.

Clasificarea rocilor din punctul de vedere al forabilitatii, serveste la planificarea lucrarilor de foraj, la elaborarea devizelor si a normativelor de consum de materiale, precum si la stabilirea normelor de lucru pentru echipa de foraj.

Aceasta clasificare imparte rocile in sase grupe (foarte moale, moale, semitare, tare, foarte tare, extra tare), cu 12 categorii. (fig.)

3. Mecanismul dislocarii rocilor

Dislocarea rocilor are loc prin patrunderea sub apasare, a elementelor active ale instrumentelor de lucru, acestea avand forme si dimensiuni diferite.

Printre procesele simple de dislocare se numara:

Despicarea - este un proces de dislocare realizat de un corp cu o anumita forma, la simpla patrundere in roca sub actiunea unei forte. Se intalneste la unele sape cu role si apare la forarea rocilor elastice si plastice foarte tari.

Aschierea - deformare aparuta la patrunderea unui corp in roca, de o parte si alta a suprafetelor de contact corp-roca. Se intalneste la argilele moi. In acest caz, pentru a obtine dislocarea rocii, este necesar ca odata cu patrunderea, corpul sa execute o miscare de deplasare paralela cu suprafata rocii, sub actiunea unei forte.

Erodarea - proces superficial de dislocare, care apare atunci cand instrumentul de lucru are o suprafata mare de contact cu roca si executa deplasarea paralela cu suprafata ei, fiind sub apasarea unei sarcini. Acest tip de dislocare apare la forajul cu sape cu lame, la sapele cu diamante, in roci tari si extratari.

4. Conditiile din sonda in procesul de dislocare

Factorii din sonda care influenteaza proprietatile fizico-mecanice ale rocilor din talpa, deci si eficienta dislocarii sunt: temperatura, presiunea si fluidul din sonda.

Temperatura

In scoarta terestra temperatura creste cu adancimea (gradientul geotermic 2-3 grade/100m). Gradientul geotermic este variabil de la o zona la alta, functie de o serie de factori din crusta terestra.

La cresterea temperaturii domeniul deformarilor plastice se mareste, iar limita de curgere si rezistenta se micsoreaza. Fluidul de foraj prezent in talpa sondei reduce temperatura. Rezistenta rocilor argiloase, calcarelor si dolomitelor scade cu cresterea temperaturii.

Presiunea

La o anumita adancime in roci se manifesta presiunea litostatica (p_g - geostatica), presiunea laterala (p_l - confinare) si presiunea de strat (p_s - presiunea fluidului din porii rocii). In procesul de forare, asupra rocii din talpa actioneaza un sistem de presiuni care duc la compresiune triaxiala. In planul vertical actioneaza presiunea fluidului de foraj (p_n), iar in plan orizontal presiunea laterala.

Un foraj se executa in conditii de siguranta, daca presiunea fluidului de foraj este mai mare decat presiunea fluidului din porii rocii. Compresiunea triaxiala este uniforma daca p_n=p_l si neuniforma daca p_n diferit p_l.

Fluidul din sonda

Rezistenta rocilor este influentata in conditiile compresiunii triaxiale (uniforme sau neuniforme) de fluidul patruns in porii rocilor. Acesta provine de cele mai multe ori din fluidul de foraj. Rocile sunt corpuri hidrofile si se umecteaza usor. Apa din fluidul de foraj influenteaza stabilitatea rocilor. Pot aparea deformatii plastice, diverse reactii chimice, functie de substantele existente in fluidul patruns in roca, influentand rezistenta rocii, in sensul cresterii sau scaderii ei.

5. Instrumente de dislocare a rocilor

Instrumentele de dislocare a rocilor se impart in trei grupe:

Sape de foraj - pentru dislocarea pe intreaga suprafata a talpii sondei;

Carotiere - folosite pentru extragerea de probe (carote). Dislocarea in acest caz se face pe o suprafata inelara;

Instrumente de dislocare cu destinatie speciala - pentru operatii deosebite in gaura de sonda.

1. Sape de foraj

Functie de tipul dislocarii, sapele de foraj se clasifica:

Sape de tip despicator-aschietor  - prin apasare se realizeaza despicarea, iar prin rotatie, aschierea. In aceasta categorie se incadreaza sapele cu lame.

Sape de tip sfaramator-rozator - sapele cu insertii si sapele cu diamante.

Sape de tip sfaramator - aschietor - sapele cu role.

Sape cu lame

Aceste sape pot fi cu doua sau trei lame (la 120s). Sapele cu doua lame se numesc si sape coada de peste (cu lame subtiri si cu lame groase). Partile de contact cu roca sunt armate cu material dur prin sudura.

1.1. Sape cu insertii

Aceste sape se numesc si sape monolit. Sapa are un corp masiv, in care sunt fixate insertii de diferite forme (placute si stifturi) din carbura de wolfram, cu liant de cobalt. Insertiile se fixeaza prin lipire cu un aliaj cu alama, sau prin presare la rece.

1. Sape cu diamante

Sapele cu diamante sunt utilizate in roci cu duritati variabile, de la roci putin tari pana la roci extratari. Sunt foarte eficiente la rocile abrasive, in special la adancimi mari, avand o mare rezistenta la uzura. Durata lor de utilizare este mare, comparativ cu a altor tipuri de sape.

Diamantele, sunt elementele active (diamante industriale) si sunt prinse intr-o matrice (suport), realizata din aliaje dure sinterizate, de tipul carburii de wolfram in amestec cu lianti (cobalt, fier, cupru, nichel, etc.). Exista sape cu diamante insertate, la care granulele de diamant sunt fixate (implantate) in matrice, sau sape cu diamante impregnate (granule de dimensiuni mici sunt distribuite in masa matricei).

Sistemul de spalare al sapei permite circulatia fluidului de foraj in vederea evacuarii detritusului, precum si pentru curatirea si racirea suprafetelor active.

1.3. Sape cu role

Sapele cu role au elementele active sub forma unor proeminente numite dinti, care sunt plasati pe suprafata unor corpuri de rostogolire, numite rolele. Rotirea sapei in jurul axei sale determina rostogolirea rolelor. Contactul dintilor cu roca este periodic si limitat ca timp. Patrunderea dintilor in roca produce sfaramarea ei. Cand, pe langa patrundere, dintii mai executa o miscare de translatie fata de talpa, dislocarea rocii se face prin sfaramare si aschiere. In acest caz rolele executa o miscare combinata, de rostogolire si translatie. Cu cat roca este mai dura si abraziva, miscarea de alunecare trebuie sa fie mai scazuta, ea lipsind la rocile foarte dure si abrasive.

Cele mai utilizate sape (saparea sondelor pentru petrol, gaze) sunt sapele cu trei role. Mai exista sape cu o rola, cu doua role si cu mai mult de trei role.

Sapa cu trei role (conuri) este alcatuita din:

- corpul sapei format din trei falci;

- conurile sapei care sunt purtatoarele dintilor. Pot fi conuri perfecte sau conuri conjugate (cu doua, sau trei conuri);

- dintii sapei sunt plasati pe suprafata activa (de lucru), sub forma de coroane circulare paralele. Exista sape cu dinti frezati si sape cu dinti insertati (sape cu stifturi). Stifturile sunt confectionate din carburi sinterizate si sunt fixate prin presare in locasuri practicate in corpul rolelor.

In rocile plastice detritusul colmateaza spatiul dintre dinti, reducand inaltimea dintilor si producand mansonarea sapei, cu blocarea rolelor. Pentru evitarea mansonarii, s-au construit sape cu autocuratire, la care dintii coroanelor unui con calca in canalele dintre coroanele celorlalte conuri.

- lagarele sapei reprezinta sistemul de rulmenti pentru fixarea in sapa a rolelor si asigura posibilitatea de miscare a acestora.

- dispozitivele de spalare au rolul de a indeparta detritusul din talpa si de a curata sapa (dintii). La sapele moderne spalarea este exterioara, orificiile de circulatie sunt plasate in exteriorul sapei, intre conuri, aproape de talpa. Orificiile sunt echipate cu duze speciale, iar fluidul de foraj iese sub forma de jet. (sape maxijet sau cu spalare exterioara joasa).

Sapele au simboluri din combinatii de litere care dau indicatii privind tipul de roca pentru care este construita, tipul de dantura, tipul de lagare si tipul de spalare.

Ex: SM - 9 5/8 KLM = sapa pentru roca slaba-medie (SM), cu diametrul 9 5/8 in (244,5 mm), dantura din stifturi insertate (K), cu lagare etanse (L) si spalare exterioara joasa (maxijet) (M).

Carotiere

Carotierele se utilizeaza in forajul de prospectiune si explorare, pentru obtinerea carotelor (esantioane) in procesul de carotaj mecanic. Functie de locul recoltarii se numesc: carotiere pentru carotaj in talpa sondei si carotiere laterale (ciupitoare).

1. Carotiere pentru carotaj in talpa sondei au in partea inferioara instrumentul de dislocare (capul de carotiera).

Carotierele simple sunt formate din tubul carotier, reductie (piesa care face legatura cu prajina), capul de carotiera si retinatorul de proba. Fluidul de foraj circula prin spatiul dintre carota si tub.

Carotiere duble utilizate la forajul sondelor pentru petrol si gaze, sunt formate din doua tuburi concentrice (tub carotier si tub portcarota, cu supapa de evacuare a fluidului), reductie, cap de carotiera si retinatorul de proba. Tubul portcarota poate fi fix, sau mobil, atunci cand legatura cu tubul carotier se face cu ajutorul unor rulmenti. Acest din urma tip se foloseste la obtinerea unor probe netulburate in roci slab consolidate.

Carotiere amovibile sunt cele la care tubul portcarota se lanseaza de la suprafata prin interiorul garniturii de foraj. Extragerea se face cu ajutorul unui dispozitiv special (corunca) lansat prin garnitura cu un cablu. Se utilizeaza in cazul carotajului pe intervale mari, sau in carotajul intermittent, la intervale mici. Avantajul consta in extragerea de carota, fara scoaterea garniturii.

Carotiere pentru extragerea probelor orientate sunt instrumente speciale, din doua sau trei tuburi concentrice, prevazute cu dispozitive de masurare a orientarii carotei.

Carotiere pentru recoltarea probelor din peretii gaurii de sonda (carotiere laterale, ciupitoare laterale) sunt alcatuite dintr-un corp central, pe care sunt legate ciupitoarele (paharele). Acestea sunt impinse in peretele sondei cu diferite metode (frecvent prin explozie) si sunt apoi extrase la suprafata.

Capetele de carotiera sunt de tipul: cu lame, cu insertii (stifturi), cu role si cu diamante.

Capetele de carotiera cu lame se folosesc pentru forajul in roci slab consolidate.

Coroanele cu insertii din material dur (sinterizat), de tip widia (wie-diamant = ca diamantul) (carbura de wolfram), se folosesc in roci cu duritate variabila (slabe pana la tari). Functie de duritate se alege tipul de aliaj din care sunt alcatuite insertiile. Acestea sunt placute cu forme diferite (paralelipipedica, rombica, hexagonala, pentagonala) si lungimi de 7-24mm.

Capetele de carotiera cu role se utilizeaza in roci cu duritati medii si mari. Pot sa fie echipate cu 4, 6, sau 8 role.

Capetele de carotiera cu diamante sunt asemeni sapelor, cu diamante insertate, sau cu diamante impregnate.